机械密封特点及应用.ppt

1、中国石化炼化动设备培训班：炼油厂装置关键动设备之泵用机械密封特点及应用,杨立民 中国石化洛阳石油化工工程公司 201109,问题的提出,经过学习应解决的问题： 了解机械密封工作原理及特点？ 了解离心泵机械密封失效基本原因？ 能够合理应用离心泵机械密封？(34条),目录,1机械密封技术理论 1.1机械密封的作用及意义 1.2机械密封的基本原理 1.3机械密封副的温度和密封环变形 1.4 机械密封的基本型式 2机械密封技术应用 2.1炼油厂机械密封应用现状 2.2机械密封失效的分析 3机械密封选型技术规定* 4结论,机械密封技术理论,1机械密封技术理论 1.1机械密封的作用及意义 1）影响泵效率、

2、能耗； a.减少泵泄露，提高容积效率：离心泵叶轮口环改为机械密封，泵效率提高3.6%； b.减少摩擦损失，提高机械效率：双端面改为单端面，非平衡型改为平衡型等； c.密封辅助系统优化，可以降低功耗：自冲洗改为泵环循环，双端面改为单端面，节省封油系统能耗。 2）影响泵组运行可靠性：密封是否泄漏决定泵组的运行周期； 3）HSE要求：密封失效造成事故及环境污染。 4）据统计石化装置机泵86%采用机械密封，并且机械密封维护占炼油厂机泵维修工作量的50%以上。,机械密封技术理论,1）典型机械密封机构： 1静环2动环3传动销 4弹簧5弹簧座6紧定螺钉 7传动螺钉8动环o型圈 9静环O型圈10防转销 11压

3、盖12推环13轴套 I、II、III、IV、V、VI 为泄露点,机械密封技术理论,2）机械密封是一种依靠弹性元件对动、静环端面密封副的预紧，和介质压力与弹性元件压力的压紧而达到密封的轴向端面密封装置。 3）动、静环作用：是密封面紧密贴合，防止介质泄漏。要求动、静环耐磨性良好，动环可以轴向随动，自动补偿密封面损失，和静环良好贴合；静环具有浮动性，起缓冲作用。 4）弹性元件作用：包括弹簧、波纹管、隔膜等，起预紧、补偿和缓冲的作用，始终保持足够的弹性克服动环的惯性、密封圈和传动件的摩擦，保证动环良好追随性和密封副贴合。要求耐腐蚀、耐疲劳。 5）密封圈：动静环的密封作用，同时也起到浮动和密封作用。要求

4、耐热、耐冷并能与介质相容。,机械密封技术理论,6）传动件（传动销、传动环、传动座、传动键、传动凸耳或牙嵌式联结器），起到将轴的转矩传给动环的作用。 7）紧固件（紧定螺钉、弹簧座、压盖、组装套、座套），起到动、静环定位、紧固作用。要求轴向定位正确，保证一定弹簧压缩量，保证密封面位置正确、贴合良好。拆装方便、容易就位、可重复利用。与密封圈配合处，安装密封圈处有导向倒角和压缩量。密封腔与轴套配合处可采用硬面涂层。 8）防转销：起到防止静环转动和脱出的作用。要求长度足够，防止静环在负压下脱出；定位正确，防止随动环旋转。,机械密封技术理论,9）机械密封可能泄漏途径： a密封副密封面I处：机械密封失效80

5、-95%由于该原因。要求接触面平行，Ra=0.05-0.20m，平面度0.9 m。不同介质密封副材料组合合适，注意耐磨损、耐腐蚀，选用合适的几何参数（面积比和宽径比）和性能参数（比压、弹簧载荷）。 b静环与压盖的密封圈处泄漏II和动环与轴（或轴套）的密封圈处泄漏III:值得注意问题是动环和密封圈处密封性和追随性应保证，防止水垢、结焦、结晶、反应堆积问题造成动环不能动弹。 c压盖与密封腔体间静密封IV、轴与轴套静密封V、动环镶嵌结构配合处VI泄漏。该3处为静密封。,机械密封技术理论,1.3机械密封副的温度和密封环变形 1）机械密封摩擦副温度限制 密封元件材料使用温度限制,机械密封技术理论,机械密

6、封技术理论,机械密封技术理论,机械密封技术理论,机械密封技术理论,2）密封腔及密封面间气化现象 机械密封稳定工作：稳定的液膜、气膜或混合膜 密封腔温度大于气化温度20或压力高于饱和压力30%； 采取措施，避免泵抽空引起轴封； 摩擦热未能排出而形成全面或局部气化（空化），前者密封面出现彗星状纹理，后者出现麻点；,机械密封技术理论,3）密封介质固化、聚合、结焦、结晶问题 a固化：易凝固介质，如蜡油、渣油、石蜡、沥青、尿素、熔融硫磺、煤焦油、酚醛树脂、增塑剂等。采用plan62（蒸汽）； b聚合：因温升而聚合的介质，如糠醛、甲醛、苯乙烯、氯乙烯、丙烯醛、醋酸乙烯、甲醛水、提余液等； c结晶：对于易结

7、晶介质：硫铵、磷铵、苛性钠、氢氧化钙、磷酸、绿液、导热姆、丁醇等；硬对硬摩擦副加保温、冲洗；,机械密封技术理论,d溶解性:：对于易结晶介质：硫铵、磷铵、苛性钠、氢氧化钙、磷酸、绿液、导热姆、丁醇等；硬对硬摩擦副加保温、冲洗； e溶解性:异丙醇、磺化油、明矾、硫酸钠、硫酸钾（对水）；戊烷（对油）;橡胶（液氨、氨水、苯）；甘油（对乙醇）； f结焦、腐蚀、磨损在高温下产生或加剧。,机械密封技术理论,4）机械密封变形问题 机械密封密封环变形有力（机械）变形、热（温度）变形和残余变形； 密封环表面热应力超过材料允许压力产生“热裂”；,机械密封技术理论,密封环变形会破坏摩擦副密封面的平面度和平行性，产生各

8、种流体动、静压效应，造成密封面承载能力过大而被打开，过小而磨损。 为了避免密封面变形的影响，可采用在结构上开应力槽或改变密封面断面形状来消除应力，及其它有效方法。,机械密封技术理论,1.4机械密封的基本型式 1）接触式和非接触式: 接触式：密封面数凸体接触，密封面间隙h=0.5-1m； 非接触式：密封面数凸体不接触，流体动压密封面间隙h2m；流体静压密封面间隙h5m； 其它： 可控间隙非接触机械密封 平衡比可以调节的半接触式机械密封,机械密封技术理论,2）内装式和外装式机械密封： 内装式：静环安装在压盖内侧，弹簧置于介质内； 外装式：静环安装在压盖外侧，弹簧置于介质外；适用压力低，强腐蚀、高粘

9、度、易结晶介质。 3）内流式和外流式机械密封： 内流式：端面泄漏方向与离心力方向相反；适合高压，泄漏小； 外流式：端面泄漏方向与离心力方向相同；适用2MPa环境；,机械密封技术理论,4）弹簧旋转式和弹簧静止式机械密封： 弹簧旋转式：弹性元件随轴旋转；不适合高速工况； 弹簧静止式：弹性元件不随轴旋转；适合高速工况； 5）平衡型和非平衡型机械密封： 平衡型：面积比B1； 非平衡型：面积比B1； B=承压面积/密封面面积,机械密封技术理论,机械密封技术理论,6）单弹簧和多弹簧式机械密封 单弹簧：一个集中大弹簧；端面受力不均匀，高速离心变形，弹簧力不易调节，轴向尺寸大，多用于小直径80-150、低速。

10、 多弹簧：多个点布小弹簧。可以通过改变弹簧个数调节弹簧力，可以用于大直径、高速；但腐蚀、固体颗粒及结晶场合不适用，易堵塞及腐蚀。 7）单密封、双密封及多密封 单密封：有一对端面摩擦副的密封； 双密封：有一对端面摩擦副的密封； 多密封：有两对以上端面摩擦副的密封；,机械密封技术理论,9）API682-2004密封型式： TYPE A:推环式 单级、内置、挠性元件旋转、平衡、集装式。密封副为反应烧结碳化硅对优质抗疱疤碳石墨，氟弹性体O形圈，弹性元件为多个圆柱形哈氏C合金小弹簧。轴套、压盖、环座和其它金属零件316镍铬不锈钢。压盖内还配有碳石墨浮环为抑制密封。176 以内。,机械密封技术理论,TYP

11、E B旋转金属波纹管式 单级、内置、挠性元件旋转（低温）、平衡、集装式；密封副为反应烧结碳化硅对优质抗疱疤碳石墨，氟弹性体O形圈，弹性元件为多个边缘焊接哈氏C波纹管。轴套、格兰、环座和其它金属零件316镍铬不锈钢。压盖内还配有碳石墨浮环为抑制密封。 176 以内。,机械密封技术理论,TYPE C静止金属波纹管式 单级、内置、挠性元件静止（高温176-400、高速23m/s）、平衡、集装式；密封副为反应烧结碳化硅对优质抗疱疤碳石墨，辅助密封为柔性石墨密封，弹性元件为多个边缘焊接Inconel波纹管。轴套、格兰、环座和其它金属零件316镍铬不锈钢。压盖内还配有碳石墨浮环为抑制密封。,机械密封技术理

12、论,6API682-2004密封布置方式 arrangement 1:单密封 arrangement 2:非加压双密封 arrangement 3:加压双密封,机械密封技术应用,根据日本某厂调查报告，发生的786件事故中有332件是泄漏造成的，占42%。,机械密封技术应用,调研内容包括： 经营资质； 质量管理体系; 财务状况； 科研开发能力； 加工设备情况； 检测、试验设备情况； 采购管理； 人力资源状况； 售后服务体系。,机械密封技术应用,调研小组在认真听取汇报,机械密封技术应用,国际上上世纪五十年代末期，美国西洛EG 密度是否低于600g/cm3； 温度是否400 ,或41bar(bar)

13、; 密封端面平均相对速度23m/s； 介质饱和蒸汽压34bar(A); 介质含易汽化或结晶不稳定成分； 非牛顿型流体（粘滞性）； 轴颈110mm或20mm。,机械密封技术应用,3）密封腔温度问题： 保证密封介质不汽化和结焦，端面避免“空化” 现象。同时注意密封介质凝固和结晶问题； -密封腔压力不小于液体最高饱和蒸汽压力的130%； -密封腔温度至少比介质最低气化温度低20。 -冲洗孔径应不小于3mm，保证冲洗量。,机械密封技术应用,Km为膜压系数 Tf为端面温度K,似液相,似汽相,全汽相,全液相,机械密封技术理论,机械密封技术应用,4）材料选择： 选择合理材料，保证密封材料没有过热现象。 -A

14、PI682规定： -一般泵送介质操作温度不大于176时，波纹管材料推荐采用C-276合金；操作温度大于176时，波纹管材料推荐采用718合金或AM350材料，但材料的来源应保证其物理和化学性能的稳定可靠。 -密封腔温度超过176但低于290时，O形圈应推荐采用全氟化橡胶（FFKM）材料 ； -密封环应采用高级防起泡石墨环，另一密封环考虑高温下（category2,3）的润滑性能，可采用反应烧结的碳化硅环（RBSiC）材料。硬环端面宽度应大于软环端面宽度。,机械密封技术应用,密封轴套宜采用316、316L或316Ti等不锈钢材料。 高温下O形圈宜采用全氟化橡胶材料(FFKM)，其最高允许工作温度

15、可达290。 合金钢泵的密封端盖材料应与密封腔相同，其它材料的泵密封端盖应采用316、316L或316Ti材料。当温度超过175时，应使用柔性石墨填充的304或316不锈钢缠绕垫圈 。 螺栓材料选择原则与密封端盖的材料选择应保证一致性。在高温条件下应考率密封腔、泵及连接螺栓使用材料的热膨胀性能一致，避免产生热应力的膨胀不匹配问题螺栓材料选择原则与密封端盖的材料选择应保证一致性。在高温条件下应考率密封腔、泵及连接螺栓使用材料的热膨胀性能一致，避免产生热应力的膨胀不匹配问题 。,机械密封技术应用,全氟橡胶（karlez）-18280，o型圈，矩形环； 膨胀石墨+400，矩形环，梯形环；,机械密封技

16、术应用,次级密封材料使用温度：,机械密封技术应用,机械密封技术应用,端面材料: 碳化钨 最高温度400 碳化硅 最高温度425,机械密封技术理论,机械密封技术理论,机械密封技术应用,6）高温泵机械密封冲洗方案： 根据工程使用经验，对于高温离心泵用密封，宜采用外注有压或无压型（arrangement 2或3）双端面焊接波纹管机械密封，超过176或密封端面转速大于23m/s的工况，宜采用倒装密封（TYPE C）；单端面外冲洗加背部冲洗配置（PLAN32+62）也有成功使用业绩。国外有(ECS ）PLAN32+62(蒸汽)外部端封的成功案例，国内值得借鉴 。,机械密封技术应用,7）冲洗介质问题 冲洗

17、介质应保证冲洗液进入泵腔后避免气化倾向，如渣油加氢装置中进料泵液力透平主冲洗采用PLAN32+53C方案，如果主冲洗采用柴油冲洗液，由于泵腔温度高达380，容易造成气化倾向，容易造成泵组振动，应引起注意。 乙烯装置渣油泵介质过重并含有较多杂质和聚合物，采用300 馏分柴油冲洗。（天津石化乙烯装置渣油泵GA103密封改造） 化肥甲铵泵介质易结晶、易分解，不宜自冲洗。采用外注水冲洗。（中原化肥厂尿素P103中压甲铵泵密封改造） 水外冲洗添加乙二醇。 外冲洗介质影响工艺过程，重整装置环丁砜介质宜自冲洗。,机械密封技术应用,8）外注密封液注意问题： 外注密封液与被密封介质具有相容性，无污染且反应程度低

18、； 洁净、有润滑性并能将摩擦热和搅拌热带走； 运动粘度（1032 ）X10-6m2/S； 稳定性好，长时间不氧化变质； 与密封和辅助材料相容； 无着火危险性、腐蚀及人体危害。闪点比最高工作温度高50； 就地易取和利用，且较经济。如催化装置油浆泵采用该装置原料油蜡油冲洗。 压力及温度如前述。,机械密封技术应用,机械密封技术应用,11）针对多少操作温度采用波纹管密封及如何确定波纹管部件安装方式的问题： API682中明确提出“操作温度低于176时，可以采用弹簧密封；操作温度高于176以上时，采用补偿件倒装式的波纹管密封” 。 高温高压泵组转系比较长，比如加氢裂化进料泵组，考虑其高速、高温、高压，应

19、采用typeC倒装双端面外冲洗密封方案比较合适，并且避免密封太长推荐采用紧凑型布置（F-F,或B-B）。,机械密封技术应用,12）对于常压自燃的高温泵，其密封失效应避免介质外漏，所以一般采用“外部带压”冲洗方案是一个常用原则。当然采用结构合理的双端面密封比单端面密封多了一道密封屏障，相对安全一些。但现场高温泵采用单端面平衡型外部带压密封仍然有诸多成功业绩。如焦化装置的辐射进料泵，及催化裂化装置的油浆泵，采用PLAN32+62外部带压冲洗方案密封运行良好。,机械密封技术应用,13）高温泵如果采用带压双端面外部冲洗方案，如PLAN53,（arrangement3,type C）,应注意波纹管的抗反

20、压性能。国内一些制造企业规定密封腔压力大于12bar，应采用双波片波纹管部件。选择不同的波片材料、厚度、层数以及密封的布置型式可以承受更大密封压力（6.9MPa）。开泵过程中如果密封腔压力变化较大，如高压加氢装置液力透平的密封，如果采用自冲洗方案，密封冲洗液容易气化，这就是现场液力透平密封经常失效的原因。所以合理选择冲洗方案对密封运行好坏起到决定性作用。PLAN32+PLAN53C方案对于高压液力透平就是一个相对合理的技术方案。,机械密封技术应用,14）关于密封端面具体布置方向的要求，API682标准中提出“由于紧凑设计具备的优越特性，经常使用面对面（3CW-FF）或背对背（3CW-BB）的设

21、计”，这种紧凑设计有利于减少高温的热影响效应，推荐使用。渣油加强高温进料泵。,机械密封技术应用,15）并且现场有案例显示，在泵组开车前由于泵入口过滤器堵住，造成密封腔压力低从而使内循环密封液气化发生，应引起重视，要保证冲洗液压力大于操作温度下液体饱和蒸汽压的1.3倍，或密封腔温度至少比密封介质操作温度低20。无论泵入口压力是否低于大气压，泵密封腔压力至少比大气压高35KPa 。,机械密封技术应用,16）温度余量： 高温泵密封腔操作温度应按照增加28余量考虑。超过176的，应采用C型（静止波纹管）密封型式，但易结焦、结晶等特殊情况除外 ； 17）密封倒装问题： 以下任何一项内容时，宜采用静止式补

22、偿元件 密封端面平均直径处线速度大于23m/s， 操作温度大于176-400 密封平衡直径大于115mm, 泵转速大于3000r/min。,机械密封技术应用,18） 偏差与配合： 机械密封的密封腔、端盖及泵轴同心度偏差不大于0.125mm，密封端面跳动量（TIR）不大于0.5m/mm ； 轴套与轴的配合为ISO 2862的F7/h6；轴套应沿其整个长度方向全部机加工并磨光，并保证轴套内径与外径同心，外径径向跳动量不大于25m ； 19）除非另有规定，不采用单弹簧补偿元件 ；,机械密封技术应用,20）缓冲/隔离液罐容积： 当轴径大于60mm时，采用20L容积；当轴径小于或等于60mm，采用12L

23、容积 ；,机械密封技术应用,23）如果设置密封冷却器，可以独立设置或采用与密封罐一体的结构。每个密封的冲洗量应至少为8L/min ； 24）采用PLAN32方案时，高温泵密封应注意冲洗液气化倾向，核算并选择冲洗液种类，建议加冲洗分布器以最大化的均匀冲洗和冷却端面 ；,机械密封技术应用,25）干气密封时，应符合下述规定 a.采用Plan74时，介质侧密封必须可以承受正、反两个方向的压力； b.在采用Plan72+76、Plan72+75时，外部干气密封应承受泵内的压力; c.Plan11+72+76、Plan11+72+75或Plan74系统中应设压力报警,机械密封技术应用,26）密封失效耐受性

24、要求： 当内侧密封失效时，双端面密封的外侧密封应能正常运行不小于8小时 ； 27）双端面的要求： 常压下操作温度导致自燃的泵送介质，推荐采用双端面密封（Arrange 2或3）系统 ；,机械密封技术应用,28）密封件试验要求： 密封制造厂应对密封承压件进行液压试验，试验压力不小于密封腔最高允许工作压力1.5倍，至少维持30 min，且无泄漏，并提供相关报告 ； 机械密封最终装配完成后，密封制造厂应对密封进行气密性试验，并提供相关报告 ； 优先采用认证试验（Qualification Test）过的密封。对于没有进行过认证试验的密封,同一类型密封在密封厂至少应进行单台套出厂模拟试验，对于操作温度

25、大于220时，必须用矿物油进行高温模拟试验 ； 高温模拟试验热运转后，应对摩擦副进行二次检验，其密封面平面度控制在0.9m以内，同时平行度需要进行修整 ；,机械密封技术应用,30）API682 关于密封冲洗方案规定写法：,机械密封技术应用,机械密封技术应用,31）确定密封型号选择顺序： 根据密封及应用场合明确密封种类C1，2，3； 烃类和非烃类 烃类：闪蒸烃和非闪蒸烃 选择密封型式type1，2，3； 选择布置方式A1，2，3； 选择合适冲洗图例 选择合适冲洗液,机械密封技术应用,32）API683-2004Category区别： 1.密封腔尺寸： Category1:ISO 3069-C C

26、ategory2,3：API610，ISO 3069-H 2.操作温度、压力范围： CATEGORY1 :-40260，2.2MPa； CATEGORY 2,3:- 40400 ，4.2MPa,机械密封技术应用,3.密封摩擦副端面材料 CATEGORY1：防起泡石墨对常压烧结SiC； CATEGORY2，3：防起泡石墨对反应烧结SiC； 4.冲洗孔口要求的差别： “旋转柔性元件”要求采用分散布置冲洗孔口： CATEGORY1，2为保证密封腔压力高于介质饱和蒸汽压30%，或温度低于20，对于旋转柔性元件采用分散布置冲洗孔口。 CATEGORY 3，对于旋转柔性元件采用分散布置冲洗孔口。,机械密封

27、技术应用,机械密封技术应用,5.集装式密封轴套尺寸伸长10mm（轴向长度） CATEGORY1：不要求； CATEGORY2，3：要求； 6.密封布置方式A1(单端面平衡型)的节流衬套型式 CATEGORY1：固定碳环，浮动碳环选择； CATEGORY2：固定无火花金属，浮动碳环选择； CATEGORY3：浮动碳环； 7.双封密封液循环设施能头/流量曲线提供 CATEGORY3，要求提供，而C1，2需要规定提供。,机械密封技术应用,8.密封厂“型式试验”范围及资料 C1、2：如果和C3有互换性的端面才进行试验； C3：整个密封体进行试验。报价提供相关资料。,机械密封技术应用,33）API682

28、-2004密封TYPE问题： 1.TYPE A、B、C温度范围： TYPEA、B:-40176； TYPEC:-40400； TYPEA、B、C都是平衡型密封； 2.柔性元件型式： TYPE A:弹簧推环式（可滑动的弹性元件）； TYPEB、C：波纹管；B采用c-276，C采用718材料 3.柔性元件转向： TYPEA、B:旋转（静止选择）； TYPEC:静止（旋转选择）；,机械密封技术应用,4.弹簧型式： TYPEA:多个小弹簧（单弹簧选项）； TYPEB、C:波纹管； 5.动环是否要求倒装： TYPEAB:密封端面平均线速度23m/s采用倒装； TYPEC:倒装式。 6.次级密封元件区别：

29、 TYPEA、B:弹性元件，如O型圈； TYPEC：柔性石墨；,机械密封技术应用,34）API682-2004密封布置问题： 1.节流衬套区别： ARRANGEMENT1：CATEGORY1：固定碳环 C2：固定无火花金属；C3：浮动碳环； A2，3：固定碳环； Containment seal：针对A2，气体为缓冲气配置；PLAN11+72+76(75); 2.密封液切线排出要求： ARRANGEMENT2、3：CATEGORY1，2必须规定；C3要求 3.密封液最大温升要求： ARRANGEMENT23：含水冲洗液或柴油8；矿物油16 ；,机械密封技术应用,ARRANGEMENT1，2：要求密封腔压力高于介质蒸汽压力30%或蒸发温度20；最低密封腔压力高于大气压0.035MPa； 4.密封液储罐规格区别：轴径60mm，12L；其它20L；,结论,4.总结：密封系统工程应用注意的问题 1）工程单位应结合泵的实际运行条件，正确选择机械密封的型式和冲洗方案。最终使用单位、工程公司、泵厂和密封制造厂四家密切配合确定最终方案。 2）工程设计单位在密封选择过程中，应结合泵送介质的真实操作状态，要区分密封在泵开车、停车、正常运行、变量操作以及事故状态下的不同工况，综合确定密封型式及冲洗方案。经常出现的选型问题是只考虑正常